无线病房呼叫系统硬件设计.docx
《无线病房呼叫系统硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线病房呼叫系统硬件设计.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
无线病房呼叫系统硬件设计
前言
伴随着医疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速发展，越来越多的人们需要迅捷、方便地得到医院的各种各样的医疗服务，这必将使医院之间的竞争日趋激烈。
这使得衡量一个医院的综合水平高低，不再仅仅局限于软、硬件的建设上，更要比服务。
医院的竞争越来越激烈，商业医院的生存是第一位的，提升档次和服务质量迫在眉睫，如何利用先进的信息技术为医院服务，更大程度的提高医院的服务质量及利润，是医院信息化建设中的一个重要着眼点。
陪护问题一直是医患矛盾的主体，也是长期困扰卫生系统服务质量的大问题，使用病房呼叫系统，方便病人更快找到医生护士，以节约病人的宝贵时间。
病床呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断或护理的紧急呼叫工具，可将病人的呼求快速传送给值班医生和护士。
呼叫系统的优劣直接关系到病员的安危，也可减少医护人员巡视病床的辛劳，能放心地、高效地处理其它医护问题,历来受到各大医院的普遍重视,是提高医院和病室护理水平的必备设备之一。
目前医院使用的病房呼叫系统多为有线呼叫系统，存在布线复杂、布线费用较高、易出故障、维修不便、明线不雅观等缺陷。
无线呼叫系统没有上述缺点，安装方便，成本低，使用简单。
系统的建设将本着“以患者为中心”的原则，以方便患者,提高就诊效率为目的，力争为患者提供最满意的服务，同时也将提高医疗的社会效益和经济效益，鉴于此,设计及时、准确、可靠、简便可行、利于推广的无线呼叫系统有很高的应用价值和实际意义。
病房呼叫系统只是医院管理系统中的一小部分，随着医疗技术的发展以及计算机的发展，医院管理系统也向标准化，系统化，网络化，集中式数据库，自上而下的一体化设计和数据的共享以及电子病例等方面发展。
第1章系统概述
1.1系统功能
系统主要实现的功能是：
当病人按下呼叫按钮,在系统接收端上发出相应频率的声音，有呼叫信号灯指示,并能显示出呼叫的床位号。
1.2系统构成图
系统结构框图，如图1-1所示
报警信号
报警信号
图1-1系统结构框图
1.3系统方案设计
设计无线呼叫系统时，首先根据无线呼叫的特点及对系统性能的要求，选择系统的方案。
进行方案设计时，主要考虑无线模块与单片机的连接和电路对接受、发射模块的信号干扰问题。
此外还要考虑性能价格比等。
所以无线模拟病房呼叫系统有以下几种方案：
方案1：
利用单片机的串行全双工通信和高频发射/接收电路设计的多路无线医院病房呼叫系统，该系统利用MCS-51系列单片机的串行传输功能，将串行输出信号传送到发射电路，当信号为高电平时高频发射电路工作，并发射433MHz等幅高频信号，当信号为低平时高频发射电路停止工作，所以高频发射电路完全受控于单片机串行输出的数字信号，对高频电路完成幅度键控（ASK调制）。
采用超载波接收板接收高频信号，信号解码、声光报警、动态显示等功能由单片机完成。
该系统对抗噪要求较高，因为接收模块接收到的第一位数据极易被干扰（即零电平干扰）而引起接收数据错误。
方案2：
使用PT2272和PT2262收发芯片，使系统工作在315Mhz附近，此方案所采用的是模块化设计，其发射和接收都是以PT2262和PT2272芯片为主的集成模块，不存在方案1中的极易被干扰的现象。
该方案主要是对方案1的修改，集成模块价廉物美，经济实用。
本次设计选择的是方案2。
第2章主要元器件介绍
2.1单片机介绍
单片机全称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）,又称为微控制器（MicrocontrollerUnit）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。
它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。
随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着片上系统方向发展。
单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。
目前单片机渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
2.1.1AT89S51单片机介绍
AT89S51是ATMEL公司开发的一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供性价比高的解决方案。
AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
图2-1AT89S51单片机外观
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
（1）主要功能特性：
✧兼容MCS-51指✧令系统
✧4k可反复✧擦写（>1000次）ISPFlashROM
✧32个双向I/O口
✧4.5-5.5V工作电压
✧2个16位可编程定时/计数器
✧时钟频率0-33MHz
✧全双工UART串行中断口线
✧128x8bit内部RAM
✧2个外部中断源
✧低功耗空闲和省电模式
✧中断唤醒省电模式
✧3级加密位
✧看门狗（WDT）电路
✧软件设置空闲和省电功能
✧灵活的ISP字节和分页编程
✧双数据寄存器指✧针
（2）AT89S51与AT89C51比较：
89S51相对于89C51而言：
新增加了很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！
ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
兼容性方面：
向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。
也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。
比较结果：
就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以跑Windows98，不过速度是不同的。
从AT89C51升级到AT89S51,也是同理。
和S51比起来，C51就要逊色一些，实际应用市场方面技术的进步是永远向前的。
（3）AT89S51各引脚功能介绍：
引脚如图2-2所示，以下是各引脚的说明.
图2-2AT89S51单片机引脚
VCC：
AT89S51电源正端输入，接+5V。
VSS：
电源地端。
XTAL1：
单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
XTAL2：
系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
RESET：
AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EA/Vpp：
"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当引脚为低电平后，系统会调用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用8751内部程序空间时，引脚要接成高电平。
此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）［4］。
ALE/PROG：
ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。
AT89S51可以利用这个引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN：
此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。
AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
PORT0（P0.0～P0.7）：
端口0是一个8位宽的开路电极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。
其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。
设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一个完整的16位地址总线，而定位地址到64K的外部存储器空间。
PORT2（P2.0～P2.7）：
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。
P2除了当作一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。
PORT1（P1.0～P1.7）：
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地,若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。
如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发引脚。
PORT3（P3.0～P3.7）：
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
其引脚分配如下：
P3.0：
RXD，串行通信输入。
P3.1：
TXD，串行通信输出。
P3.2：
INT0，外部中断0输入。
P3.3：
INT1，外部中断1输入。
P3.4：
T0，计时计数器0输入。
P3.5：
T1，计时计数器1输入。
P3.6：
WR：
外部数据存储器的写入信号。
P3.7：
RD，外部数据存储器的读取信号。
（3）AT89S51的优点：
1.含有FLASH存储器
因此在系统的开发过程中可以十分容易进行修改，这就大大缩短了系统的开发周期。
同时，在系统工作过程中，能有效地保持一些数据信息，即使外界损坏也不影响到信息的保持。
2.和80S51插座兼容
89系列单片机的引脚是和80S51一样的，所以，当89系列单片机取代80S51时，可以进行代换。
（1）静态时钟方式
89系列单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。
（2）错误编程亦无废品产生
一般的OPT产品，一旦错误编程就成了废品。
而89系列单片机内部采用了FLASH存储器，所以，错误编程后可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。
（3）可进行反复系统试验
用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验；每次试验可以不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。
而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求。
3.89系列单片机内部结构
89系列的内部结构和89S51相近，它主要含有如下一些部件。
（1）8031CPU
（2）振荡电路
（3）总线控制部件
（4）重点控制部件
（5）片内FLASH存储器
（6）片内RAM
（7）并行I/O接口
（8）定时器
（9）串行I/O接口
2.1.251单片机与74HC164静态显示接口
在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：
静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示，就是每一个显示器都要单独占用具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。
可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里以常用的串并转换电路74HS164为例，介绍一种常用静态显示电路，以使大家对静态显示有一定的了解。
图2-374HC164引脚图
MCS-51单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接6片74HS164作为6位LED显示器的静态显示接口，把8031的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。
74HS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。
其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。
T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。
每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74HC164中。
R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。
Q1…Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接LED显示器的hg…a各段对应的引脚上［1］。
图2-474HC164内部原理图
2.2pt2262/pt2272无线/发送接受模块
2.2.1pt2262/pt2272解码芯片
PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路［5］。
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
PT2262/PT2272特点
1）CMOS工艺制造，低功耗
2）外部元器件少
3）RC振荡电阻
4）工作电压范围宽：
2.6-15v
5）数据最多可达6位
6）地址码最多可达531441种
PT2262/PT2272应用范围
1）车辆防盗系统
2）家庭防盗系统
3）遥控玩具
4）其他电器遥控
图2-5PT2262引脚图
表2-1PT2262管脚说明：
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）,
D0-D5
7-8、10-13
数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
Dout
17
编码输出端（正常时为低电平）
在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发每一帧的时间越长。
表2-2PT2272参数
图2-6PT2272解码电路引脚图
表2-3PT2272引脚说明
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬
空）,必须与2262一致,否则不解码
D0-D5
7-8、10-13
地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一
致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为
低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
VT
17
解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）
PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。
M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。
后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时（PT2272-M6），对应的地址编码应该是6位。
PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改：
在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：
悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。
当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号［5］。
用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
市场提供的遥控类产品上一般都预留地址编码区，采用焊锡搭焊的方式来选择：
悬空、接正电源、接地三种状态,出厂是一般都悬空，便于客户自己修改地址码。
这里以常用的超再生插针式接收板的跳线区为例:
OOOOOOOOL
--------
11111111H
可以看到,跳线区是由三排焊盘组成,中间的8个焊盘是PT2272解码芯片的第1～8脚,最左边有1字样的是芯片的第一脚,最上面的一排焊盘上标有L字样,表示和地连通,如果用万用表测量会发现和PT2272的第9脚连同;最下面的一排焊盘上标有H字样,表示和正电源连通,如果用万用表测量会发现和PT2272的第18脚连同.所谓的设置地址码就是用焊锡将上下相邻的焊盘用焊锡桥搭短路起来，例如将第一脚和上面的焊盘L用焊锡短路后就相当于将PT2272芯片的第一脚设置为接地，同理将第一脚和下面的焊盘H用焊锡短路后就相当于将PT2272芯片的第一脚设置为接正电源，如果什么都不接就是表示悬空。
设置地址码的原则是：
同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。
2.2.2基于PT2262的无线编码模块
编码发射模块外形小巧、美观，与很多车辆防盗系统中的遥控器一样。
根据功能的多少按键数也不一样，我们本章所用的发射模块为A、B、C、D四个按键。
编码发射模块主要由PT2262编码IC和高频调制、功率放大电路组成，常用的编码发射模块实物和内部框图如图2-7和图2-8所示。
遥控发射器工作电压为DC12V（电池供电），尺寸（mm）：
58*39*14,工作频率：
315MHz,工作电流（mA）：
13编码类型：
固定码（板上焊盘跳接设置）应用说明：
与各类型带解码功能的接收模块联合使用，解码输出后进行相应控制，如采用单片机进行读取接收并解码数据然后控制相应的灯或电源开关。
图2-7无线模块实物图
图2-7编码发射模块实物图与原理框图
图2-8无线编码模块原理图
图2-8常用的编码发射模块实物和内部框图
其中编码部分电路由PT2262编码IC来组成，具体电路见图2-9所示。
图2-9PT2262编码原理图
图2-9编码电路原理图
2.2.3基于PT2272的无线解码模块
解码接收模块包括接收头和解码芯片PT2272两部分组成。
接收头将收到的信号输入PT2272的14脚（DIN），PT2272再将收到的信号解码。
解码接收模块和电路原理图如图2-10，接收板实物如图2-11所示。
接收板工作电压为DC5V，接收灵敏度：
-103dBm,尺寸（mm）：
49*20*7,工作频率：
315MHz,工作电流：
5mA,编码类型：
固定码（板上焊盘跳接设置）应用说明：
与各类型遥控器配合使用，解码输出后进行相应控制，如采用单片机进行读取接收并解码数据然后控制相应的灯或电源开关。
图2-
升级会员 